Instrumentierung der Bioimpedanzmessung: Optimierung mit Fokus auf die Elektroimpedanztomographie (EIT) (Aktuelle Forschung Medizintechnik – Latest Research in Medical Engineering) (German Edition)

Steffen Kaufmann entwickelt ein Verfahren zur verbesserten Instrumentierung der Transferimpedanzmessung mit Fokus auf die Anwendung in der Elektroimpedanztomographie (EIT). Die Optimierung wird durch eine Erhöhung des Signal-Rauschabstandes erreicht, gleichzeitig ermöglicht das Verfahren spektroskopische Mehrfrequenz-Messungen, mit einer Auflösung nach Betrag und Phase. Der Autor entwickelt und evaluiert ein Bioimpedanzmesssystem (BMS), das zu einem Mehrfrequenz-EIT-System erweitert und für unterschiedliche Messungen an Widerstands- und Tankphantomen sowie zur Visualisierung der Atmung eingesetzt wird. Den Abschluss bildet die Konzeption eines parallelen Mehrfrequenz-Aktivelektroden-EIT-Systems. Vorwort des Reihenherausgebers 6 Geleitwort 7 Zusammenfassung 10 Inhaltsverzeichnis 12 Abkürzungsverzeichnis 16 1 Einführung 18 1.1 Hintergrund und Stand der Technik 19 1.2 Veröffentlichungen 22 1.3 Gliederung 23 2 Bioimpedanzmessungen 24 2.1 Elektrische Impedanz 24 2.2 Bioimpedanz und der Elektroden-Hautübergang 25 2.2.1 Zwei-Elektroden-Messung 31 2.2.2 Vier-Elektroden-Messung 32 2.2.3 Gleichtaktspannungen 33 2.3 Messwertaufnahme 34 2.3.1 Abtastung 35 2.3.2 Monofrequente Anregungen 37 2.3.3 Breitbandanregungen 37 2.3.4 Einfrequenz-Demodulation 40 2.3.5 Mehrfrequenz-Demodulation auf Basis der Diskreten Fouriertransformation (DFT) 42 2.3.6 Digital-Analog- / Analog-Digital-Umsetzung 44 2.4 Mögliche Messprinzipien 46 2.4.1 Strom- oder Spannungsanregung 47 2.4.2 Messung des Anregungsstroms 48 2.4.3 Vier-Elektroden-Bioimpedanzmessung mit asymmetrischer Stromeinspeisung und -Messung 49 2.4.4 Gleichtaktfreie Strom- und Spannungsmessung 50 2.4.5 Symmetrische Stromeinspeisung zur gleichtaktfreien Spannungsmessung 51 2.4.6 Symmetrische Stromeinspeisung mit Transformator 52 2.5 Einflüsse auf die Messunsicherheit 53 2.5.1 Abschätzung der Messunsicherheit der Vier-Elektroden-Messung 54 2.5.2 Abschätzung des Gleichtaktfehlers 55 2.5.3 Quantisierungsrauschen 56 2.5.4 Überabtastung 59 2.5.5 Jitter 61 2.5.6 Der Einfluss von Einschwingvorgängen auf das Messergebnis 62 2.6 Regulatorische Anforderungen 64 3 Elektroimpedanztomographie (EIT) 66 3.1 Physikalische Modellierung 66 3.2 Messstrategien 67 3.2.1 Statische und Differenzbildgebung 68 3.2.2 Messprotokolle und die Anzahl der möglichen Transferimpedanzen 69 3.3 Messwertaufnahme 72 3.3.1 Kategorisierung von EIT-Systemen 73 3.3.2 Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines seriellen EIT-Systems 75 3.3.3 Benötigte Messzeit 76 3.3.4 Leistungsbewertung 78 3.4 Rekonstruktion der Leitwertverteilung 80 3.4.1 Vorwärtsproblem 83 3.4.2 Inverses Problem 85 4 Bioimpedanzmesssystem (BMS) 90 4.1 Anforderungsanalyse 90 4.2 Grundlegende Systemarchitektur 92 4.3 Anregungsgenerierung 97 4.3.1 Generierung des digitalen Anregungssignals 98 4.3.2 Generierung des Konstantstroms 99 4.3.3 Mögliche Anregungsströme und damit messbare Impedanzen 104 4.4 Messwertaufnahme 105 4.5 Getriebener Kabelschirm 107 4.6 Firmware und Interface-Software 109 4.7 Systemverifikation 113 4.7.1 Elektrisches Ersatzschaltbild 114 4.7.2 Theoretische und messtechnische Abschätzung des Signal-Rausch-Abstandes 118 4.7.3 Der Einfluss des FIR-Filters vor der FFT 121 4.7.4 Kalibrierung 122 4.7.5 Verbesserung der Schirmung 123 4.7.6 Langzeitstabilität und Standardabweichungen 125 4.8 Messungen 127 4.8.1 R + R || C – Phantom 127 4.8.2 Bioimpedanzmessung an einer Kartoffel 128 4.8.3 Messungen zur zeitlich veränderlichen Bioimpedanz 130 4.8.4 Erfassung von realen Elektroden-Haut-Übergangsimpedanzen (ESI) 134 4.9 Abschließende Bewertung 140 5 Mehrfrequenz-EIT-System 142 5.1 Anforderungsanalyse 142 5.2 Grundlegende Systemarchitektur 143 5.3 Multiplexing 147 5.4 Systemverifikation 150 5.4.1 Theoretische und messtechnische Abschätzung des Signal-Rausch-Abstandes 152 5.4.2 Abschätzungen zur Genauigkeit 153 5.4.3 Messung der Kanalabweichungen 156 5.4.4 Messtechnische Verifizierung der Genauigkeit 157 5.5 Messungen 161 5.5.1 Aufbau und Messung eines Mikrotankphantoms 161 5.5.2 Aufbau und Adaption eines Tankphantoms 164 5.5.3 Signalqualität am Tankphantom mit 16 Elektroden 168 5.5.4 Signalqualität am Tankphantom mit 32 Elektroden 172 5.5.5 Differenzbildgebung am Tankphantom 174 5.5.6 Messungen am Thorax 177 5.6 Abschließende Bewertung 183 6 EIT-System basierend auf Aktivelektroden 187 6.1 Anforderungsanalyse 187 6.2 Systemarchitektur 188 6.2.1 Aktivelektrode 191 6.2.2 Aktivelektroden-Controller und Bussystem 193 6.3 Abschließende Bewertung 196 7 Zusammenfassung und Ausblick 198 Literaturverzeichnis 201 Front Matter....Pages i-xviii Einführung....Pages 1-6 Bioimpedanzmessungen....Pages 7-48 Elektroimpedanztomographie (EIT)....Pages 49-72 Bioimpedanzmesssystem (BMS)....Pages 73-124 Mehrfrequenz-EIT-System....Pages 125-169 EIT-System basierend auf Aktivelektroden....Pages 171-181 Zusammenfassung und Ausblick....Pages 183-185 Back Matter....Pages 187-205